Suivi de la matière organique fluorescente en amont des estuaires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie - Cresica
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Rivière de la Coulée, Nouvelle-Calédonie - Cyclone Hola - Mars 2018
(© Elise Coignot)
Suivi de la matière organique
fluorescente en amont des estuaires
dans le sud de la Nouvelle-Calédonie
PROJETS PRESENCE & SEARSE
Laura Boher ; Elise Coignot ; Etienne Lopez ; Florence
Royer ; Hugues Lemonnier
02/10/2018
Projets Presence & Searsé
Suivi de la matière organique fluorescente en amont des estuaires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie
- Table des matières -
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION ......................................................................................................................................................................................... 1
1. MATERIEL ET METHODES ...................................................................................................................................................................... 3
1.1. SITE DE PRELEVEMENT ET REALISATION DES MESURES.............................................................................................................................. 3
1.1.1. Mesure des paramètres physico-chimiques .......................................................................................................................... 4
1.1.2. Prélèvement des échantillons ..................................................................................................................................................... 4
1.2. ANALYSE DE LA FDOM PAR SPECTROFLUOMETRIE 3D ...........................................................................................................................4
1.3. TRAITEMENT PAR PARAFAC ................................................................................................................................................................. 5
1.3.1. Pré-Traitement des matrices sur ProgMEEF .......................................................................................................................... 5
1.3.2. L’analyse parallèle factorielle (PARAFAC) .............................................................................................................................. 7
2. RESULTATS............................................................................................................................................................................................. 9
2.1. SPECTRES DE LA MODF INITIALE ............................................................................................................................................................ 9
2.2. DEFINITION DES PERIODES .................................................................................................................................................................... 10
2.3. SPECTRES DE LA MODF EN FONCTION DES PERIODES METEOROLOGIQUES ........................................................................................... 11
2.4. SPECTRES DE LA MODF EN FONCTION DE LA PERIODE CYCLONIQUE .................................................................................................... 13
2.5. DYNAMIQUE DE LA PSEUDO-CONCENTRATION DES DIFFERENTS COMPOSES .......................................................................................... 14
3. DISCUSSION ........................................................................................................................................................................................ 17
3.1. IDENTIFICATION DES COMPOSES ........................................................................................................................................................... 17
3.2. DETECTION DES COMPOSES ................................................................................................................................................................. 17
3.3. EVOLUTION DES PSEUDO-CONCENTRATIONS ....................................................................................................................................... 18
4. CONCLUSION ET PERSPECTIVES ......................................................................................................................................................... 19
ANNEXE 1. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR LA PIROGUE EN FONCTION DES PERIODE PSI, PHC ET APRES PHC SUITE A
UNE DECOMPOSITION PARAFAC. ....................................................................................................................................................... 23
ANNEXE 2. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR LA PIROGUE EN FONCTION DES PERIODES AVANT MARS, DURANT LE MOIS
DE MARS, LA PERIODE MARS AVRIL, APRES MARS ET APRES AVRIL SUITE A UNE DECOMPOSITION PARAFAC. ........................ 24
ANNEXE 3. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR LA COULEE EN FONCTION DES PERIODE PSI, PHC ET APRES PHC SUITE A
UNE DECOMPOSITION PARAFAC. ....................................................................................................................................................... 25
ANNEXE 4. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR LA COULEE EN FONCTION DES PERIODES AVANT MARS, DURANT LE MOIS DE
MARS, LA PERIODE MARS AVRIL, APRES MARS ET APRES AVRIL SUITE A UNE DECOMPOSITION PARAFAC. ............................. 26
ANNEXE 5. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR LE PARC FAYARD EN FONCTION DES PERIODE PSI, PHC ET APRES PHC
SUITE A UNE DECOMPOSITION PARAFAC. .......................................................................................................................................... 27
ANNEXE 6. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR LE PARC FAYARD EN FONCTION DES PERIODES AVANT MARS, DURANT LE
MOIS DE MARS, LA PERIODE MARS AVRIL, APRES MARS ET APRES AVRIL SUITE A UNE DECOMPOSITION PARAFAC. .............. 28
ANNEXE 7. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR LE TROU DES NURSES EN FONCTION DES PERIODE PSI, PHC ET APRES PHC
SUITE A UNE DECOMPOSITION PARAFAC. .......................................................................................................................................... 29
ANNEXE 8. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR LE TROU DES NURSES EN FONCTION DES PERIODES AVANT MARS, DURANT
LE MOIS DE MARS, LA PERIODE MARS AVRIL, APRES MARS ET APRES AVRIL SUITE A UNE DECOMPOSITION PARAFAC. ......... 30
ANNEXE 9. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR LA TONTOUTA EN FONCTION DES PERIODE PSI, PHC ET APRES PHC SUITE
A UNE DECOMPOSITION PARAFAC. .................................................................................................................................................... 31
ANNEXE 10. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR LA TONTOUTA EN FONCTION DES PERIODES AVANT MARS, DURANT LE
MOIS DE MARS, LA PERIODE MARS AVRIL, APRES MARS ET APRES AVRIL SUITE A UNE DECOMPOSITION PARAFAC. .............. 32
ANNEXE 11. FLUOROPHORES IDENTIFIES POUR L’ENSEMBLE DES RIVIERES POUR LES DEUX PERIODE PSI ET APRES PHC
DANS LA MEME DECOMPOSITION PARAFAC. .................................................................................................................................... 33
- Table des figures -
TABLE DES FIGURES
Figure 1: Localisation des rivières et stations de prélèvement (en vert) échantillonnées (PI : Pirogue ; CO :
Coulée ; PF : Dumbéa - Parc Fayard ; TN : Dumbéa - Trou des Nurses ; TO : Tontouta) - (D'après Coignot,
2018). ........................................................................................................................................................................................................ 3
Figure 2 : Schéma de principe du spectrofluorimètre (interface du Perkin Elmer). ................................................... 5
Figure 3 : Représentation avant (gauche) et après (droite) correction du Raman et du Rayleigh sur le spectre
d’eau milli-Q grâce au pré-traitement PARAFAC du logiciel ProgMEEF........................................................................ 6
Figure 4 : Exemple du CORCONDIA obtenu pour la décomposition des résultats issus de l'analyse des
échantillons après le mois de Mars. ............................................................................................................................................. 7
Figure 5 : Evolution des débits horaires (m3.s-1) de décembre à avril pour la rivière des Pirogues (PI en
orange), de la Coulée (CO en rouge) et de la Dumbéa (station PF) (DU en bleu), et de la salinité à chaque
date de prélèvement.........................................................................................................................................................................11
Figure 6: Évolution des composés discriminés contenus dans la MODF .....................................................................15
Figure 7 : Composition des rivières en MODF avant et pendant le cyclone Hola. ...................................................16
TABLE DES TABLEAUX
Tableau 1: Paramètres d’acquisition du spectrofluorimètre ............................................................................................... 5
Tableau 2 : Fluorophores identifiés dans chaque rivière et communs (dernière ligne) après décomposition
PARAFAC ................................................................................................................................................................................................. 9
Tableau 3 : Caractéristiques des composés obtenus après décomposition PARAFAC ..........................................10
Tableau 4 : Caractéristiques des composés obtenus après décomposition PARAFAC selon des périodes
climatiques prédéfinies ....................................................................................................................................................................12
Tableau 5 : Caractéristiques des composés obtenus après décomposition PARAFAC ..........................................12
Tableau 6 : Fluorophores identifiés à chaque station pendant la période cyclonique ..........................................13
-4-
Projets Presence & Searsé
Suivi de la matière organique fluorescente en amont des estuaires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie
- Résumé -
RESUME
La Nouvelle-Calédonie est le siège de mutations démographiques, économiques et sociétales rapides. Si
l’industrie minière a depuis un siècle façonné significativement les paysages terrestres et littoraux, il existe
une volonté forte de diversifier l’économie du pays. Il en résulte des pressions anthropiques croissantes sur
les milieux littoraux et côtiers, auxquelles viennent s'ajouter les conséquences encore mal connues du
changement global. L’absence de quantification de ces pressions complique fortement la compréhension
des processus structurant et affectant l’intégrité de ce patrimoine naturel et des services écosystémiques
associés. Dans ce contexte, l'analyse des apports par les rivières qui sont d'importants vecteurs de transport
de sédiments mais également d’éléments dissous potentiellement néfastes au fonctionnement de
l’écosystème corallien reste un enjeu pour lequel il existe peu de données.
La composition des eaux en matière organique dissoute influence fortement leur devenir dans les estuaires.
Une première analyse de leur composition par spectrofluorimètrie (FDOM) a été réalisée en amont de 4
estuaires autour du grand Nouméa entre décembre 2018 et août 2018. Cinq composés ont pu être
identifiés, trois associés à des protein-like (C1, C2 et C3) et deux à des humic-like (C4 et C5). La présence
de métaux traces pourrait expliquer la variabilité observée entre les rivières pour C1 et C4. Le composé C3
pourrait être un marqueur d'eutrophisation des eaux et le composé C5 un marqueur d'oligotrophie. Le
composé C2 est ubiquiste et, à l'image des autres composés, montre une variabilité temporelle marquée
en lien avec la saison des pluies.
PREAMBULE
Ce travail a bénéficié de deux sources de financement. La première provient du contrat cadre Ifremer -
Province Sud, Province Nord, Etat (2017 - 2021) et la seconde du programme CRESICA « au fil de l'eau »
dans le cadre de l'action SEARSÉ. Les analyses ont été réalisées sur un spectrofluorimètre du M.I.O.
(Mediterranean Institute of Oceanography) positionné à l'IRD de Nouméa, en lien avec le projet TREMOR
porté par le Dr. Cécile Dupouy (UMR M.I.O.). Une formation organisée par le Dr. Cécile Dupouy dans le
cadre de l'action TREMOR (programme CRESICA - Au fil de l'eau) et dispensée par le Dr. Stéphane Mounier
du M.I.O. - Equipe CEM de l'Université de Toulon - a permis à l'équipe de réaliser ce travail. Ce rapport clos
le contrat de CDD IFREMER (juillet et août 2018) de Laura Boher et constitue un rapport d'étape sur le suivi
des rivières au niveau des exutoires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie.
CITATION
Boher L., Coignot E., Lopez E., Royer F., Lemonnier H., 2018. Suivi de la matière organique fluorescente en
amont des estuaires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie. Rapport de fin de contrat CDD IFREMER-LEAD.
33 p.
MOTS CLES
Rivières, Matière organique fluorescente, dynamique
Projets Presence & Searsé
Suivi de la matière organique fluorescente en amont des estuaires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie
INTRODUCTION
Dans le milieu aquatique, la dégradation végétale est l'une des principales productions de matière
organique. Elle apporte notamment de grandes quantités de carbone organique dissous (Hébert et Légaré,
2000 ; Krumins et al., 2013) et de sels nutritifs (Duke et al., 2007 ; Nagelkerken et al., 2008). La matière
organique dissoute dite colorée (MODC) représente une fraction majeure (20-80%) de la MOD. Elle a la
capacité d’absorber le rayonnement lumineux des domaines UV et Visible (Bricaud et al., 1981 ; Del Vecchio
et Blough, 2002). Elle est par l'intermédiaire des apports fluviaux, l'une des plus grandes ressources du stock
de carbone dans les zones côtières (Coble, 2007). La Matière Organique Dissoute Fluorescente (MODF)
constitue une fraction de cette MODC (Stedmon et Alvarez-Salgado, 2011).
Dans le milieu côtier, la MODF peut être séparée en deux catégories :
o La MODF allochtone (produite à l’extérieur du système), principalement issue des sols et des débris
végétaux, représente la MOD terrestre transportée par les apports fluviaux ;
o La MODF autochtone (produite dans le milieu) qui proviendrait de différentes sources biologiques
comme l'excrétion par le phytoplancton et/ou son broutage (Coble, 2007 ; Benner et Herndl, 2011).
La remise en suspension sédimentaire peut également constituer un apport de nature autochtone ou
allochtone en fonction de la matière organique particulaire (MOP) dont elle est issue par des procédés
d’humification (He et al., 2016 ; Guigue et al., 2017). Les principales substances chimiques capables
d'émettre de la lumière de fluorescence après excitation, appelées fluorophores, qui ont été répertoriées
dans les rivières et les zones côtières sont les humic-like terrestres et les composés dérivés de la dégradation
enzymatique de la lignine tels que les acides féruliques (Coble et al., 2014).
Les sols de Nouvelle-Calédonie sont essentiellement composés de latérites, riches en humus, en matière
organique (MO) notamment en acides humiques, et en éléments traces métalliques (ETMs) tels que le nickel,
le cobalt et le manganèse (Bohi, 2010 ; Dublet et al., 2012). Or l’exploitation de nickel, l’une des premières
ressources économiques de l’île, s'effectue à ciel ouvert (L’Huillier et Jaffré, 2010) et induit une accélération
de la déforestation. Cette activité prive le sol d'un couvert végétal qui le protège de l'érosion et des
phénomènes de lessivage, provoquant ainsi une augmentation de la quantité de matériaux dans les rivières,
notamment de la MOD (Bird et al., 1984). Une forte augmentation des apports en MOD et en sels nutritifs
majeurs vers le lagon peut être à l’origine d’un processus d’eutrophisation (développement massif de
producteurs primaires) dans le milieu, provoquant une perturbation du système et engendrer des zones
mortes par anoxie dans les pires situations (Howarth et al., 2000). L'augmentation de la concentration en
MOD aura aussi un effet sur les ETM, du fait de sa capacité complexante sur les métaux (Mounier et al.,
2001), les rendant plus difficilement assimilables par le vivant et limitant ainsi leur bioaccumulation
(Hédouin et al., 2011, Martias, 2018). Bien que les types de pression et leurs conséquences principales soient
partiellement établis en Nouvelle-Calédonie (David et al., 2010 ; Fichez et al., 2010), peu d’études se sont
concentrées sur leurs dynamiques spatiales et temporelles. Les pressions engendrées par le ruissellement
des rivières - caractérisé par des apports massifs et ponctuels - ne font pas exception car ils entraînent une
augmentation de l’érosion des sols, et favorisent une augmentation non négligeable des apports terrigènes
dans le milieu marin littoral (Batelis et Nalbantis, 2014 ; Inbar et al., 1998 ; Schindler et al., 1980 ; Desclaux
et al., 2018).
Dans ce contexte, le projet PRESENCE (PRESsions sur les Ecoystèmes récifo-lagonaires de Nouvelle-
CalEdonie) étudie les effets des pressions sur l’état des écosystèmes coralliens et leurs évolutions dans le
temps, dans le but d’instaurer des mesures de gestion appropriées. Pour répondre à cet objectif, ce projet
-1-
- Introduction -
s’articule autour de trois étapes : i) étudier la distribution spatiale et temporelle des pressions au sein des
écosystèmes coralliens de Nouvelle-Calédonie, ii) étudier les rôles joués par les interfaces océan-lagon et
terre-lagon sur la structuration hydrologique des lagons et iii) intégrer ces pressions afin d’évaluer leurs
influences sur l’état écologique de l’écosystème récifo-lagonaire.
Le projet SEARSÉ (Signature des EAux des RivièreS et des Estuaires) financé dans le cadre du programme
au fil de l'eau porté par le CRESICA est complémentaire au projet PRESENCE. La première étape de ce projet
a pour objet d'analyser les caractéristiques de l'eau au niveau des exutoires. Elle devrait permettre de
quantifier les apports par les rivières dans le lagon autour du grand Nouméa, d'identifier une signature
chimique et/ou biologique des cours d'eau pour dans une seconde étape tracer leur devenir dans le milieu
marin.
Un travail de modélisation des débits aux exutoires des rivières calédoniennes sur le secteur du Grand
Nouméa et de leur devenir a été réalisé (Desclaux et al., 2017 ; 2018a ; 2018b). L’acquisition d’une base de
données sur la composition des apports terrigènes constitue une autre étape pour l'analyse de leurs
devenirs sous forme dissoute et particulaire dans le milieu lagonaire. L'objectif de ce rapport est de
présenter les résultats obtenus pour le suivi de la MODF des apports fluviaux sur quatre rivières de la
Province Sud de la Nouvelle Calédonie. Il fait suite au travail réalisé dans le cadre d'un Master II sur les
apports en nutriments et en métaux (Coignot, 2018).
-2-
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1. MATERIEL ET METHODES
1.1. Site de Prélèvement et réalisation des mesures
En raison de l’importante densité de population autour de Nouméa et de la présence d'activités minières,
il a été choisi de réaliser l’étude des apports terrigènes sur 4 bassins versants (BV) situés autour de cette
ville, à savoir, du sud de la grande Terre au nord (Figure 1):
La rivière des Pirogues (PI) ;
La Coulée (CO) ;
La Dumbéa (DU) ;
La Tontouta (TO).
Cette étude a été réalisée en prenant en compte les échantillons prélevés du 17/12/18 au 25/07/2018 sur
5 stations d’échantillonnage : une station pour les rivières des Pirogues, de la Coulée et de la Tontouta et
deux stations pour la rivière Dumbéa (Parc Fayard – notée « PF » - et Trou des Nurses – notée « TN ») (Figure
1).
Vingt-sept prélèvements ont ainsi été analysés par station d’échantillonnage. Les stations de prélèvement
ont été choisies selon leur accessibilité pour minimiser les risques en période de crue pour les personnes
chargées du suivi et selon leur proximité avec la côte. En raison des nombreux affluents de la Dumbéa, le
site « Dumbéa Trou des nurses » a été ajouté dans le but d’estimer l’influence des différents BV de la
Dumbéa : Dumbéa nord, est, et bassin versant de la Couvelée.
Figure 1: Localisation des rivières et stations de prélèvement (en vert) échantillonnées (PI : Pirogue ; CO :
Coulée ; PF : Dumbéa - Parc Fayard ; TN : Dumbéa - Trou des Nurses ; TO : Tontouta) - (D'après Coignot,
2018).
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- Matériel et méthodes -
Les prélèvements ont été réalisés avec un pas de temps de deux semaines. Un échantillonnage journalier a
été effectué lors du passage du Cyclone Hola afin d’étudier la dynamique temporelle d’un tel évènement.
Des prélèvements ponctuels ont pu être réalisés en fonction des conditions météorologiques. Chaque
prélèvement est considéré comme représentatif de la totalité de la colonne d’eau.
Les rivières ont été échantillonnées du sud au nord (i.e. de la rivière des Pirogues à la Tontouta) afin de
conserver au mieux les échantillons, la station Ifremer se situant dans la commune de Boulouparis, située
au nord-est de la Tontouta.
Les mesures et les prélèvements réalisés in situ sont effectués à marée basse, pour minimiser l'effet des
intrusions halines avec la marée haute. À chaque point, les horaires de prélèvement et de mise à l’eau de la
sonde sont notés dans un cahier réservé à cet effet.
1.1.1. Mesure des paramètres physico-chimiques
Les paramètres physico-chimiques (i.e. salinité ; turbidité en NTU ; pH ; température en °C) sont mesurés in
situ à l’aide d’une sonde YSI (YSI 6600 V2-2). Les mesures sont réalisées à 1 m de profondeur et durant 5
min (avec un pas de temps d’acquisition de 20s).
1.1.2. Prélèvement des échantillons
À chaque échantillonnage, 5 litres d’eau sont prélevés à l’aide d’une bouteille Niskin ou d’un seau, puis
transférés dans des bidons de 20 litres (conservés préalablement au moins une nuit avec de l’HCL 10%, puis
rincés trois fois à l’eau distillée). Afin d’éviter tout risque de contamination, les bidons sont rincés 3 fois avec
l’eau du prélèvement, puis conservés à l’obscurité et au frais jusqu’à l’étape de filtration.
Dans la même journée, tous les échantillons ont été filtrés sur des filtres en fibre de verre Whatman GF/F
de 0,7 µm dans un premier temps, puis sur 0,20 µm pour éliminer les interactions entre la phase particulaire
et la phase dissoute et conservés à 4°C en attendant leur analyse.
1.2. Analyse de la FDOM par spectrofluomètrie 3D
Le phénomène de fluorescence peut se traduire par l’émission d’un photon à la suite d’une perturbation de
l’état énergétique d’un chromophore pour retourner à son état fondamental. Dans le cas d’un fluorophore,
le rayonnement fluorescent réémis sera plus faible que celui qui aura été absorbé (Coble, 1996). Un
fluorophore est donc défini par sa longueur d’onde d’excitation et sa longueur d’onde d’émission. Les
spectres de fluorescence sont très discriminants car ils présentent un ou plusieurs pics sur la gamme de
longueurs d’onde, UV et visible, qui dépendent de la structure moléculaire du composé, tandis que son
intensité de fluorescence est fonction de sa concentration.
La spectrofluomètrie 3D consiste à obtenir un spectre d’excitation-émission de fluorescence en fonction de
l’intensité des composés, sous forme de Matrice d’Excitation et d’Emission de Fluorescence (MEEF).
L’acquisition des MEEFs a été réalisée avec un spectrofluorimètre Perkin Elmer LS55® mis à disposition de
l’équipe par le Mediterranean Institute of Oceanography (M.I.O.).
-4-Projets Presence & Searsé
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L’excitation se fait à l’aide d’une lampe xénon et d’un monochromateur. Le monochromateur d’excitation
permet de sélectionner une longueur d’onde d’excitation avec précision et le polarisateur d’uniformiser
l’onde dans une direction précise. Le faisceau d’excitation est dirigé vers la cuve en quartz contenant la
solution mais également vers un photomultiplicateur (détecteur) de référence. Le signal d’émission de
fluorescence est également polarisé, balayé par un monochromateur d’émission, et détecté par le
photomultiplicateur (Figure 2).
Figure 2 : Schéma de principe du spectrofluorimètre (interface du Perkin Elmer).
Le matériel dédié à la mesure spectrale (cuve, pipettes pasteurs) a été au préalable calciné, pour éliminer
toutes traces de contamination organique. La cuve de mesure en quartz de 1 cm est rincée une première
fois à l’acide HCL 10% puis 3 fois avec de l’eau Milli-Q et une fois avec l’échantillon. À l’aide d’un bain
thermostaté connecté au portoir d’échantillons, la cuve est maintenue à 20 °C tout au long de la mesure.
Les paramètres d’acquisition sont précisés dans le Tableau 1.
Tableau 1: Paramètres d’acquisition du spectrofluorimètre
Paramètres Valeurs
Vitesse de balayage 1200 nm/min
Largeur fentes excitation et émission 5 nm
Temps de réponse 0.5 s
Gamme λem 280-550 nm
Gamme λex 200-500 nm
L’intensité du pic de Raman est mesurée deux fois pour chaque série d’échantillons, afin de vérifier la
déviance des mesures réalisées, la position de la bande de diffusion de Raman pouvant être modifiée ou
évoluer en fonction des conditions de mesure (température, problème mécanique…). Les deux mesures
sont réalisées quotidiennement avant et après l’analyse des échantillons.
1.3. Traitement par PARAFAC
1.3.1. Pré-Traitement des matrices sur ProgMEEF
Le traitement des MEEFs a été automatisé grace au logiciel ProgMEEF développé par le M.I.O. de Toulon
sous Matlab (version R2010a).
-5-- Matériel et méthodes -
Sachant qu’un spectre 3D est constitué de plus 8 000 données, il était nécessaire d’automatiser leur
traitement afin d’obtenir une bonne répétabilité et de gagner du temps pour les analyses futures. Le post-
traitement du logiciel avant l’analyse parallèle factorielle (PARAFAC) se déroule en 3 étapes:
1. Normalisation des MEEFs par le pic de diffusion de Raman.
Cette étape est essentielle afin de s'affranchir des variations des pics de fluorophores qui sont masqués par
l’influence de la diffusion de Raman sur les intensités de fluorescence des fluorophores. A noter que les
échantillons ont été filtrés sur 0,2 µm dans le but de limiter cet effet. Cette correction a été appliquée pour
toutes les MEEFs. La Figure 3 montre un exemple de spectre obtenu avant et après correction.
Figure 3 : Représentation avant (gauche) et après (droite) correction du Raman et du Rayleigh sur le spectre
d’eau milli-Q grâce au pré-traitement PARAFAC du logiciel ProgMEEF.
2. Correction des effets
Il peut y avoir plusieurs effets à corriger comme celui lié à la dilution de l’échantillon. Avec le PerkinElmer
l’effet de dilution est directement corrigé par la machine qui le prend en compte dans la MEEF fournie.
Cette option permet aussi de corriger l’effet d’écran ou « inner filtering effect » lié à la présence de
chromophores dans le milieu, qui vont impacter l’intensité de fluorescence des fluorophores analysés.
Effectivement, la fluorescence dépend de la loi de Beer-Lambert dans les milieux à faible concentration.
Cependant, le modèle de Beer-Lambert n’est plus valable à partir d’un certain seuil de concentration en
chromophores, au-delà duquel les valeurs d’intensité de fluorescence ne suivent plus un modèle linéaire
(Coble et al., 2014). Il existe deux effets d’écran qui ont pour résultante une diminution de l’intensité du
signal de fluorescence reçu et donc une sous-estimation de la concentration en fluorophores de
l’échantillon (Stedmon et Bro, 2008). Le premier effet d’écran, nommé « effet d'écran primaire », est lié à
l’absorption d’une partie de la lumière d’excitation par les chromophores environnants, rendant cette
dernière moins disponible pour les fluorophores. Le deuxième effet d’écran, dit « secondaire », est lié à
l’absorption d’une partie de la lumière d’émission de fluorescence par les chromophores, la rendant moins
disponible pour le détecteur instrumental. Dans le cas de notre étude cette option n’a pas été utilisée car
aucune dilution n’a été effectuée sur les échantillons.
3. Adaptation des échelles
Cette dernière option permet de choisir le modèle de traitement qui utilise la méthode des moindres carrés
en tenant compte soit du maximum, de la somme ou de la somme des carrés des MEEFs qui sont
normalisées par unité. Ces changements ne sont utilisés que pour certains cas spécifiques de données, ce
qui n’a pas été le cas dans cette étude. Par défaut, le modèle utilise la méthode des moindres carrés
normalisés sur le maximum des MEEFs.
-6-Projets Presence & Searsé
Suivi de la matière organique fluorescente en amont des estuaires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie
1.3.2. L’analyse parallèle factorielle (PARAFAC)
Dans une MEEF, les pics de fluorescence des composés se superposent et peuvent interagir entre eux à leur
valeur maximale (λex/λem). Afin de dénombrer les différents constituants spectraux de la matrice avec
précision, une méthode nommée PARAFAC a été développée (Bro, 1997). Se basant sur un algorithme
utilisant la méthode itérative des moindres carrés, le logiciel décompose les données multidimensionnelles.
D’abord utilisés sur des substrats terrestres, les premiers essais de cette méthode réalisés sur des
échantillons du milieu marin ont été conduits par Stedmon et al. (2003). L’application du PARAFAC est
depuis devenue courante pour caractériser le contenu en fluorophores de la MODF des eaux naturelles
(Gonçalves-Araujo et al., 2016; Ferretto et al., 2017).
Une fois la décomposition multidimensionnelle effectuée, il convient d’identifier le nombre de fluorophores
impliqués dans le jeu de données. Pour ce faire, l'algorithme CORCONDIA est déterminant puisqu’il permet
d’identifier le nombre de composants présents (fluorophores) et de prouver leur validité (Figure 4). Pour
s’assurer de la répétabilité du CORCONDIA, la méthode est reconduite 5 fois.
Figure 4 : Exemple du CORCONDIA obtenu pour la décomposition des résultats issus de l'analyse des
échantillons après le mois de Mars.
Plusieurs paramètres permettent de valider le modèle : l’erreur sur le résidu, la « split-half analysis », la
variance expliquée et le coefficient de congruence de Tucker (TCC). L’erreur sur les résidus doit être
minimale. Les résidus doivent refléter le bruit de fond de l’instrument avec un nombre minimal de structures.
Afin de s’assurer du choix du nombre de composants, les valeurs du CORCONDIA ne doivent pas être en
dessous de 60%. Dans le cas contraire, cela signifie que le nombre de composants choisi a été surestimé
(Stedmon et Bro, 2008).
La capacité complexante de chaque fluorophore est déterminée à l’aide des intensités obtenues par
PARAFAC sur un programme d’optimisation annexe mis au point par le Dr. Stéphane Mounier (M.I.O. -
Toulon), prenant en compte la compétition entre deux fluorophores.
-7-Projets Presence & Searsé
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2. RESULTATS
2.1. Spectres de la MODF initiale
Le Tableau 2 ci-dessous montre les différents spectres de fluorophores obtenus à partir des analyses
PARAFAC.
Tableau 2 : Fluorophores identifiés dans chaque rivière et communs (dernière ligne) après décomposition
PARAFAC
Composés identifiés
Nom
Composé 1 Composé 2 Composé 3 Composé 4 Composé 5
station
Pirogues
Coulée
Parc Fayard
Trou des
Nurses
Tontouta
Communs
En réalisant une décomposition sur la totalité des échantillons, il a été montré la présence de 3 composés
observés sur toutes les stations. Un quatrième composé est commun à ces mêmes stations exception faite
-9-- Résultats -
de la rivière des Pirogues. La Coulée possède un composé supplémentaire qui n'est observé nulle part
ailleurs. Pour finir, les 5 composés ont été identifiés grâce à leurs propriétés optiques λex/λem à partir de
la bibliographie (Tableau 3). Il y a donc la présence de 2 composés tryptophan-like, 1 composé tyrosin-like
et deux composés humic-like. A noter que le composé mis en évidence à la Coulée est de type humic-like.
Tableau 3 : Caractéristiques des composés obtenus après décomposition PARAFAC
Longueur Longueur
Type de
Composé d’onde d’onde Références
fluorophore
d’excitation d’émission
1 220-225 nm 323-339 nm Tryptophan-like (T1) Coble (1996) ; Stedmon et al. (2003)
Massicotte et Frenette (2011) ;
2 230 nm 353-361 nm Tryptophan-like Stedmon et al. (2003) ; Zhao et al.
(2017)
Tedetti et al. (2016) ; Coble (1996) ;
3 200 nm 304-355 nm Tyrosin-like (B)
Stedmon et Markager (2005)
Coble (1996) ; Yamashita et al. (2010,
4 210-245 nm 420-470 nm Humic-like (type A)
2015) ; Tedetti et al. (2016)
Coble (1996) ; Shank et al. (2010) ; Su
5 225 nm 412 nm Humic-like (type C3)
et al. (2017)
2.2. Définition des périodes
De décembre à mi-janvier, les variations de débit horaire restent faibles avec des moyennes de :
o 0,43 ± 0,22 m3.s-1 pour PI ;
o 0,14 ± 0,08 m3.s-1 pour CO ;
o 0,16 ± 0,07 m3.s-1 pour PF.
Durant cette période, les valeurs de salinité pour les trois points de prélèvements considérés (PI, CO, PF)
varient entre 26,99 (PF) et 32,84 (PI). Cette période correspond à la période sèche, ou les débits ont moins
d’influence que les remontées halines.
A partir du 31 janvier, des variations de débit apparaissent mais restent ponctuelles, indicateurs
d’évènements orageux. Cette période correspond à une période intermédiaire entre la période sèche et la
période humide.
Ce n’est qu’à partir de la mi-février que les pluies ont engendré un débit suffisant et continu (Figure 5) pour
supprimer toute remontée haline (salinité de 4,53, 0,13 et 0,09 respectivement pour PI, CO et PF à la date
du 19/02/2018 contre 31,71, 29,33 et 0,17 le 08/02/2018). Cette période correspond au début de la période
humide. Trois périodes ont ainsi été distinguées :
o La Période Sèche et Intermédiaire (PSI) regroupant les prélèvements du 12/12/2017 au 08/02/2018
(7 prélèvements)
o La Période Humide et Cyclonique (PHC) regroupant les données du 19/02/2018 au 29/03/2018
(11 prélèvements).
- 10 -Projets Presence & Searsé
Suivi de la matière organique fluorescente en amont des estuaires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie
o La période après la PHC soit le début de la période sèche et intermédiaire suivante (ap PHC)
regroupant les prélèvements du 30/03/2018 au 25/07/2018 (9 prélèvements).
Figure 5 : Evolution des débits horaires (m3.s-1) de décembre à avril pour la rivière des Pirogues (PI en orange),
de la Coulée (CO en rouge) et de la Dumbéa (station PF) (DU en bleu), et de la salinité à chaque date de
prélèvement.
2.3. Spectres de la MODF en fonction des périodes météorologiques
Après un nouveau découpage PARAFAC réalisé en fonction des périodes météorologiques, les différents
fluorophores obtenus sont répertoriés dans le Tableau 4. Ils sont discriminés en fonction des périodes PSI-
PHC-Ap PHC pour chaque rivière. Une analyse commune des périodes PSI et Ap PHC permettra de mettre
en évidence les composés communs en période sèche et intermédiaire. La composition de la MODF varie
entre la PSI et PHC pour toutes les rivières, à l’exception de TN (Dumbéa, Trou des Nurses). Le cinquième
composé est présent sur cette station quelle que soit la période. Il est aussi présent en PSI à la station TO
(Tontouta). Cependant, ce composé supplémentaire n’est plus observé avec ce découpage à CO. Le
composé 2 est présent dans tous les cas, tout comme le composé 1 sauf durant la période PSI pour la
station « PI » et pendant la PHC pour la station TO. Contrairement au découpage réalisé sur l'ensemble du
jeu de données, celui-ci met en évidence que le composé 3 n’est pas présent à la station PI pendant la PHC
alors que le composé 4 n’est plus dans le milieu pendant la période Ap PHC. Par ailleurs le composé 3 est
absent durant la période PSI pour CO, TN et PF. Pour TN, les composés 3 et 4 ne sont présents dans le
milieu que pendant la période ApPHC. Le composé 4 n’est pas retrouvé à TO à cette même période.
Le découpage réalisé sur l'ensemble des données en tenant compte uniquement des périodes montre que
les trois composés protein-like (C1, C2 et C3) sont présents dans toutes les rivières tout au long de la période
d’échantillonnage. Tous les composés sont présents durant la PSI. Le composé 5 disparait pendant la PHC
et revient après cette période alors que c’est l’inverse pour le composé 4.
Pour finir, les 5 composés identifiés sont récapitulés dans le tableau 5. Il s’agit bien des mêmes composés
observés dans l’analyse PARAFAC précédente, avec toutefois des intervalles de longueurs d’ondes
d’émissions légèrement différents.
- 11 -- Résultats -
Tableau 4 : Caractéristiques des composés obtenus après décomposition PARAFAC selon des périodes
climatiques prédéfinies
Composés identifiés
Station Périodes Composé 1 Composé 2 Composé 3 Composé 4 Composé 5
PSI
PHC
PI
Ap PHC
PSI- Ap PHC
PSI
PHC
CO
Ap PHC
PSI- Ap PHC
PSI
PHC
PF
Ap PHC
PSI- Ap PHC
PSI
PHC
TN
Ap PHC
PSI- Ap PHC
PSI
PHC
TO
Ap PHC
PSI- Ap PHC
PSI
PHC
Communs
Ap PHC
PSI- Ap PHC
Tableau 5 : Caractéristiques des composés obtenus après décomposition PARAFAC
Longueur d’onde Longueur d’onde Type de
Composé Références
d’excitation d’émission fluorophore
Tryptophan-like
1 200 - 225 nm 317 - 353 nm Coble (1996) ; Stedmon et al. (2003)
(T1)
Massicotte et Frenette (2011) ;
2 225 - 230 nm 341 - 360 nm Tryptophan-like Stedmon et al. (2003) ; Zhao et al.
(2017)
Tedetti et al. (2016) ; Coble (1996) ;
3 200 - 225 nm 302 - 309 nm Tyrosin-like (B)
Stedmon et Markager (2005)
Humic-like (type Coble (1996) ; Yamashita et al. (2010,
4 200 - 250 nm 420 - 457 nm
A) 2015) ; Tedetti et al. (2016)
Humic-like (type Coble (1996) ; Shank et al. (2010) ; Su
5 200 - 210 nm 392 – 446 nm
C3) et al. (2017)
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Suivi de la matière organique fluorescente en amont des estuaires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie
2.4. Spectres de la MODF en fonction de la période cyclonique
Un dernier découpage PARAFAC a été réalisé en prenant en compte les données de Mars et Avril (période
cyclonique) et uniquement de Mars. Les périodes avant et après ces événements cycloniques ont aussi été
analysées. Ce découpage permet d'identifier la présence de certains fluorophores en fonction du temps en
se focalisant plus particulièrement sur la période cyclonique (Tableau 6).
Tableau 6 : Fluorophores identifiés à chaque station pendant la période cyclonique
Composés identifiés
Nom station Période Composé 1 Composé 2 Composé 3 Composé 4 Composé 5
Avant Mars
Mars-Avril
PI Après Avril
Mars
Après Mars
Avant Mars
Mars-Avril
CO Après Avril
Mars
Après Mars
Avant Mars
Mars-Avril
PF Après Avril
Mars
Après Mars
Avant Mars
Mars-Avril
TN Après Avril
Mars
Après Mars
Avant Mars
Mars-Avril
TO Après Avril
Mars
Après Mars
Avant Mars
Mars-Avril
Communs Après Avril
Mars
Après Mars
o C1 est présent quel que soit le découpage aux stations PI, CO et PF mais pas pendant les fortes
pluies à TN et TO,
o C2 est présent quelle que soit la rivière et la période excepté à CO avant mars,
o C3 est identifié à toutes les périodes sauf par fortes pluies à PI, CO et PF,
- 13 -- Résultats -
o C4 : ce fluorophore ne serait présent qu'en période peu pluvieuse avant avril à CO, PI, PF et TO. La
présence de ce composé n'a pas été montrée à TN.
o C5 est présent quelle que soit la période à TN. Il est présent pendant les périodes de fortes pluies
(mars et avril) à PI, CO et TO. Il apparait après mars à PF. Il pourrait être associé à des eaux
faiblement chargées.
2.5. Dynamique de la pseudo-concentration des différents composés
L'évolution des pseudo-concentrations (PC) des différents composés identifiés de la MODF, exprimée en
unité arbitraire (a.u.) par station est présentée sur la Figure 6.
L’évolution du composé 1 (Figure 6a) montre des PC généralement plus élevées pour les stations TN et TO.
Elles sont intermédiaires à PF. Les valeurs semblent généralement plus élevées en période de pluies pour
ces 3 stations. Les valeurs pour CO restent inférieures à 40 a.u. exception faite d'une concentration mesurée
à 318 a.u. le 11 avril. La rivière des Pirogues montre des valeurs dans la gamme de celles observées sur la
Coulée. Toutefois, elles semblent légèrement supérieures en période de pluies.
L’évolution du composé 2 (Figure 6b) présente une augmentation générale de ses valeurs à partir du mois
de mars suivie de leur diminution à la fin du mois d’Avril pour PI, CO et TN. Cette diminution n'est observée
qu'au mois de Juin pour les autres stations. A noter que les PC restent très variables avant l'arrivée des
pluies.
Les PC pour le composé 3 (Figure 6c) sont plus élevées en période sèche pour CO et PF. Les valeurs
deviennent inférieures à 10 a.u. à partir de la mi-avril après les premières fortes pluies. Pour les autres
stations, les valeurs restent inférieures à 10 a.u. quelle que soit la date d'échantillonnage. Les valeurs du
composé 3 sont deux fois plus faibles (maximum 60 a.u.) que celles mesurées pour les autres composés.
Pour le dernier composé (Figure 6d), toutes les rivières semblent suivre la même tendance avec une
augmentation des PC avec l'arrivée de la période pluvieuse suivie d'une diminution à la fin avril. Le pic de
PC est centré autour du 10 avril pour PI, CO et TN. Ce pic est plus tardif pour PF (23/05) et TO (le 26/04).
- 14 -Suivi de la matière organique fluorescente en amont des estuaires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie
Projets Presence & Searsé
Figure 6: Évolution des composés discriminés contenus dans la MODF
- 15 -- Résultats -
La Figure 7 présente les données issues des échantillons prélevés avant et pendant le passage du cyclone.
Le maximum de la crue a été atteint en fonction des sites le 9 ou le 10 mars. L'échantillonnage réalisé le 7
mars présente les données avant les premières pluies.
o Pour la rivière des Pirogues, on note :
Un pic le 9/03 pour C1 et C3,
Une diminution de C2 dès les premières pluies,
Une absence de tendance pour C4.
o Pour la Coulée, on observe :
Une augmentation des concentrations à partir du 10 mars,
Une diminution de C2 à partir du 9/03,
Un pic le 10/03 puis une diminution des valeurs de C3 en dessous du seuil initial,
Des concentrations qui diminuent légèrement à partir du 9 mars.
o Au Parc Fayard, on montre deux comportements différents pour les 4 composés :
Une augmentation pour C1 et C4 avec des pics observés en période de crue,
Une diminution des concentrations de C2 et C3 à partir du 9/3 pour le premier et à partir
du 11/03 pour le second.
o Au trou des nurses
Des pics de concentrations le 9 ou le 10/03 pour C1 et C4,
Des valeurs très variables après le 9/03 pour C2 et C4.
o A la Tontouta (station la moins impactée par le cyclone), on observe :
Un pic de PC pour C1 et C4 le 8 mars,
Pas de tendance pour C2,
Un léger pic pour C3 le 10/03.
Figure 7 : Composition des rivières en MODF avant et pendant le cyclone Hola.
- 16 -Projets Presence & Searsé
Suivi de la matière organique fluorescente en amont des estuaires dans le sud de la Nouvelle-Calédonie
3. DISCUSSION
3.1. Identification des composés
En fonction de la décomposition réalisée sur les échantillons, l'analyse des fluorophores de la MODF évolue.
Néanmoins, les composés identifiés restent les mêmes dans tous les cas. Cinq fluorophores ont été
identifiés par le modèle PARAFAC sur l’ensemble des rivières échantillonnées. Leur identification a été
réalisée par comparaison avec les données de la littérature. Trois de ces composés sont similaires aux
fluorophores protein-like, alors que les deux derniers composés sont humic-like. Les composés 1 et 2 sont
analogues aux tryptophan-like car ils possèdent une longueur d’onde d’émission respectivement comprise
entre de 317-360 nm et inférieure à 230 nm (Coble, 1996 ; Zhaos et al., 2017). D’après les travaux de Coble
(1996), le composé 1 est très proche du type de tryptophane T1, qui est un composé autochtone issu soit
de l'excrétion ou de la dégradation du phytoplancton soit de la dégradation de la MO par des bactéries
hétérotrophes. Le composé 2 serait plus proche de la signature du tryptophane pure, obtenue par
extraction, renommé tryptophane de référence (Massicotte et Frenette, 2011). Là encore, ce composé
proviendrait de la dégradation du phytoplancton (Coble, 2007 ; Coble et al., 2014). Quant au composé 3,
en se référant à ses propriétés optiques λex/λem, notamment sa λem qui est inférieure à 310 nm, il
appartiendrait au type Tyrosin-like. D'après Tedetti et al. (2016), ce composé correspondrait au type
tyrosine-like B. Néanmoins, d’après l’étude réalisée par Walker et al. (2009), les caractéristiques de ce
composé sont aussi très proches de la lignine de type BERC4 contenue dans les fibres végétales terrestres
et alimentaires. Par ailleurs, il a été montré récemment que les hydrocarbures polyaromatiques (Zhou et
Guo, 2012) ont la même signature spectrale que les composés de type Tryptophane. Il serait donc
intéressant de compléter ce travail par une analyse des échantillons par chromatographie (liquide ou gaz)
couplé à un spectromètre de masse afin de préciser l’identification des composés trouvés de type protein-
like. A minima, l'analyse de composés de références sur le Perkin Elmer LS55® serait un plus pour identifier
les différents composés discriminés dans l'environnement.
Les deux derniers composés possèdent une longueur d’onde d’émission supérieure à 450 nm,
caractéristique de la spectro-région liée aux humic-like terrestres (Coble, 1996 ; Yamashita et al, 2010). Le
composé 4 possède des propriétés optiques λex/λem qui l’identifie comme composé humic-like de type A
(Coble, 1996). Il pourrait s’agir d’un fluorophore terrestre photorésistant dérivé de l’activité agricole (Coble,
1996 ; Walker et al., 2009 ; Huang et al., 2010 ; Yamashita et al, 2010). En comparant les caractéristiques
optiques obtenues du composé 5 à celles de la littérature, il serait de type humic-like de type C3. Cette
molécule serait d'origine autochtone et issue de la dégradation biologique des acides humiques terrestres
et/ou de la dégradation du phytoplancton (Shank et al., 2010).
3.2. Détection des composés
Il a été montré qu’en fonction du découpage des données, notamment pour les humic-like, et de la quantité
de spectres analysés en simultané, les fluorophores détectés et identifiés évoluent (Zhaos et al., 2017). Cette
technique de découpage permet entre autres de détecter des composés qui seraient présents uniquement
de manière ponctuelle mais qui lors d'une analyse globale du jeu de données ne seraient statistiquement
pas mis en évidence.
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